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Contact parameter analysis and calibration in discrete element simulation of rice straw

International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2021年第4期14卷 72-81页

作者： Honglei Jia Jiayu Deng Yanling Deng Tianyou Chen Gang Wang zaijin sun Hui Guo College of Biological and Agricultural Engineering Jilin UniversityChangchun 130022China Technical Center for Soil Agricultural and Rural Ecology and EnvironmentMinistry of Ecology and Environment of the People’s Republic ChinaBeijing 100012China College of Mechanical Engineering Harbin Institute of PetroleumHarbin 150028China

Discrete element method was used to study and analyze the interaction between rice straws and between rice straw and agricultural machinery parts,thereby providing a scientific basis for post-harvest paddy field *** of rice straw-rice straw,rice straw-agricultural machinery part contact parameters(collision recovery coefficient,static friction coefficient and rolling friction coefficient)constitute an important prerequisite for the discrete element research *** this study,the collision recovery coefficients of rice straw-steel and rice straw-rice straw were 0.230 and 0.357,respectively,which were calibrated by the collision *** static friction coefficient and rolling friction coefficient of rice straw-steel were 0.363 and 0.208 respectively,which were calibrated by the inclined plate method and the slope *** static friction coefficient and rolling friction coefficient of rice straw-rice straw were 0.44 and 0.07,respectively,which were calibrated by the split cylinder *** paired t-test showed insignificant differences between calibration parameter simulation results and the physical test values(p>0.05).Taking the angle of repose that reflecting rice straw flow and friction characteristics as the evaluation index,the verification tests of the above calibration values indicated that the simulated angle of repose has no significant difference from the physical test value(p>0.05).The side plate lifting test on rice straw of different lengths showed no significant difference between the simulated angle of repose and the physical test value(p>0.05).This study can provide a basis for contact parameters choice in discrete element simulation analysis with rice straw-rice straw and rice straw-agricultural machinery parts as the research *** calibration method can provide a reference for the contact parameter calibration of other crop straws.

关键词： rice straw discrete element simulation contact parameter parameter calibration angle of repose

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Distribution Assessment and Source Identification Using Multivariate Statistical Analyses and Artificial Neutral Networks for Trace Elements in Agricultural Soils in Xinzhou of Shanxi Province, China

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Pedosphere 2018年第3期28卷 542-554页

作者： SHANGGUAN Yuxian CHENG Bin ZHAO Long HOU Hong MA Jin sun zaijin XU Yafei ZHAO Ruifen ZHANG Yigong HUA Xiaozan HUO Xiaolan ZHAO Xiufeng State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment Chinese Research Academy of Environmental SciencesBeijing 100012( China) Institute of Agricultural Environment and Resources Shanxi Academy of Sciences Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province Taiyuan 030031( China)

Multivariate statistical analyses were used to assess the contents and distributions of trace elements in agricultural soils in Xinzhou of Shanxi Province, China, and to identify their sources. Samples with high levels of trace elements were concentrated in eastern Xinzhou, with contents declining from the east to west. Principal component and redundancy analyses revealed strong correlations among Co, Cu, Mn, Ni, Se, V, and Zn contents, suggesting that these elements were derived from similar parent materials. There were also strong correlations between the contents of these elements and soil properties. Contents of Cd and Pb were significantly higher in the agricultural soil samples than in the background soil samples(P < 0.05), and were higher in areas with higher levels of gross domestic product but decreased with distance to the nearest road. Therefore, human activities appear to have a strong influence on the Cd and Pb distribution patterns. A novel artificial neural network(ANN) model, using environmental input data, was used to predict the soil Cd and Pb contents of specified test dates. The performances of the ANN model and a traditional multilinear model were compared. The ANN model could successfully predict Cd and Pb content distributions, projecting that soil Cd and Pb contents will increase by 128% and 25%, respectively, by 2020. The results thus indicated that the economic condition of an area has a greater effect on trace element contents and distributions in the soil than the scale of the economy itself.

关键词： contamination enrickment factor keavy metal prediction principal component analysis redundancy analysis

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叶面喷施硫对镉污染土壤中水稻累积镉的机制研究

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环境科学研究 2019年第12期32卷 2132-2138页

作者：刘家豪赵龙孙在金侯红李华山西大学黄土高原研究所山西太原030006 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 山西大学环境与资源学院山西太原030006

Cd(镉)污染稻田已成为影响全球农田土壤环境安全的重要问题,叶面喷施技术可以提高水稻对Cd的抗性,减少其对Cd的累积,保证农产品质量安全、维护土壤生态功能、防范环境和人体健康风险.通过两年四季的湖南省长沙县田间试验,探索叶面喷施S(... 详细信息

Cd(镉)污染稻田已成为影响全球农田土壤环境安全的重要问题,叶面喷施技术可以提高水稻对Cd的抗性,减少其对Cd的累积,保证农产品质量安全、维护土壤生态功能、防范环境和人体健康风险.通过两年四季的湖南省长沙县田间试验,探索叶面喷施S(以Na 2S计)在中轻度Cd污染稻田中的降镉、增产效果及其可推广性,进而设计水培试验,探究相关机制.结果表明:田间试验中,叶面喷施S可以将水稻产量提高6%~30%,水稻籽粒w(Cd)降低28%~50%.叶面喷施S能够增加水稻叶片的捕光能力和电子传递速率,与对照组相比,净光合速率提高2%~25%、气孔导度提高7%~25%、胞间CO 2浓度提高2%~10%、蒸腾速率提高1%~11%;实际光化学效率提升3%~21%,也可在一定程度上减缓光合系统结构和功能受到的损伤,同时提高光合作用碳同化的效率,提高水稻产量.傅里叶变换红外光谱图显示,叶面喷施S通过增强有机大分子类物质(如有机酸、多肽类等)的生成,可能直接与Cd发生螯合,区隔在细胞壁或者液泡上,降低Cd的侵害.研究显示,叶面喷施S在Cd胁迫水稻中积极参与生化过程的特定光合作用和蛋白质合成的调节,减轻了水稻Cd胁迫,可以尝试在同类型重金属污染农田土壤中推广.

关键词：叶面喷施镉硫光合作用荧光作用

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SSD法对西南碳酸盐岩母质区稻田土壤镉污染类型划分研究

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环境科学研究 2021年第2期34卷 409-418页

作者：韩东锦赵龙张乃明侯红孙在金中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 云南农业大学资源与环境学院云南昆明650201 云南省土壤培肥与污染修复工程实验室云南昆明650201

在我国西南地区典型碳酸盐岩母质区域存在现行农用地土壤镉(Cd)污染风险管控标准值偏严的现象,表现为土壤中Cd含量超标而农产品中Cd无安全风险.针对该现实问题,在基于该地区稻米-土壤协同调查数据的基础上,充分考虑了土壤理化性质,通过... 详细信息

在我国西南地区典型碳酸盐岩母质区域存在现行农用地土壤镉(Cd)污染风险管控标准值偏严的现象,表现为土壤中Cd含量超标而农产品中Cd无安全风险.针对该现实问题,在基于该地区稻米-土壤协同调查数据的基础上,充分考虑了土壤理化性质,通过分析样品中Cd的富集系数(BCF)并利用物种敏感性(SSD)分布模型,对Cd毒性剂量-效应关系进行拟合,最终反推出在不同pH下适用于典型碳酸盐岩类成土母质农用地土壤Cd污染的风险筛选值和管控值.结果表明:当土壤pH在5.57.5这3个pH条件下,HC 10分别为0.22、0.68和0.80 mg kg,HC 90分别为1.64、4.80和9.20 mg kg,当土壤中Cd含量低于HC 10时,表明稻米安全风险较低;当土壤中Cd含量介于HC 10~HC 90之间时,表明稻米安全具有一定风险,应对稻田土壤采取安全利用措施;当土壤中Cd含量超过HC 90时,表明稻米安全具有极高风险,应对稻田土壤采取严格管控措施.研究显示,我国西南地区典型碳酸盐岩母质区域农产品超标点位主要集中于5.5

关键词：碳酸盐岩母质镉(Cd) 富集系数物种敏感性分布(SSD)

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锑对甘蓝的毒性阈值研究

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环境科学研究 2020年第12期33卷 2898-2905页

作者：何飞赵龙孙在金林祥龙侯红张乃明云南农业大学资源与环境学院云南昆明650201 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012

为丰富完善我国土壤中Sb(锑)对植物的毒理学数据并为土壤Sb生态基准的制定提供依据,参照国际标准化组织颁布的植物毒性试验的标准方法(ISO 11269-2∶2013),以外源添加的方式研究了我国17种典型土壤中Sb对甘蓝早期生长生物量的影响.结果... 详细信息

为丰富完善我国土壤中Sb(锑)对植物的毒理学数据并为土壤Sb生态基准的制定提供依据,参照国际标准化组织颁布的植物毒性试验的标准方法(ISO 11269-2∶2013),以外源添加的方式研究了我国17种典型土壤中Sb对甘蓝早期生长生物量的影响.结果表明:(1)基于全量Sb推导的甘蓝的毒性阈值EC10(10%抑制效应浓度)变化范围为100.55~656.65 mg/kg,表明不同土壤中Sb的毒性差异显著,但基于有效态Sb(Na2HPO4溶液提取)推导的不同土壤中EC10的变化范围为8.28~24.05 mg/kg,其EC10差异有所减小;(2)相关性分析表明,基于土壤全量Sb推导的EC10与w(OM)(OM为有机质)、w(TN)(TN为全氮)和CEC(阳离子交换量)均呈显著正相关(相关系数为0.746~0.779),而基于有效态Sb推导的EC10与w(Fe)和w(Mn)呈显著正相关(相关系数为0.479~0.615);(3)多元回归分析进一步表明,土壤pH、w(OM)和CEC可以解释基于全量Sb推导的EC10值74.6%的变异,w(OM)和w(Mn)可以解释基于有效态Sb推导的EC10值62.6%的变异.研究显示,Sb的Na2HPO4提取态能在一定程度上解释不同土壤中Sb对甘蓝的毒性差异,pH、w(OM)、CEC和w(Mn)是影响Sb对植物毒性的土壤主控因子,可以较好地预测Sb的毒性阈值.

关键词：锑(Sb) 甘蓝毒性阈值土壤性质预测模型

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基于物种敏感度分布法建立中国土壤中锑的环境基准

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环境科学研究 2018年第4期31卷 774-781页

作者：孙在金赵淑婷林祥龙赵龙马瑾魏源侯红中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 云南农业大学资源与环境学院云南昆明650201

基于Sb(锑)的植物及动物毒理学数据缺乏以及保护生态受体的土壤Sb的环境基准尚未建立的现状,通过收集和筛选文献中Sb的毒理学数据并补充开展不同土壤类型的跳虫和植物的毒理学试验,建立了Sb的生物毒性预测模型,并以此为依据对收集及试... 详细信息

基于Sb(锑)的植物及动物毒理学数据缺乏以及保护生态受体的土壤Sb的环境基准尚未建立的现状,通过收集和筛选文献中Sb的毒理学数据并补充开展不同土壤类型的跳虫和植物的毒理学试验,建立了Sb的生物毒性预测模型,并以此为依据对收集及试验毒理学数据进行归一化处理,以消除土壤性质的影响.此外,进一步利用SSD(species sensitivity distribution,物种敏感度分布法)推导我国4种典型情景土壤中Sb的HC5(hazardous concentration,能够保护95%物种的生态安全阈值),最终建立基于土壤性质参数的环境基准计算模型.结果表明:(1)不同土壤中Sb对跳虫的毒性差异较大,跳虫毒性阈值EC10(effect concentration,10%抑制效应浓度)与土壤p H呈负相关,与w(SOC)(SOC为土壤有机碳)呈正相关,即随着土壤p H增加或w(SOC)降低,Sb对跳虫的生物有效性随之增加,进而导致EC10降低.(2)通过毒性阈值与土壤性质之间的多元回归分析可知,土壤p H和SOC可较好地预测Sb的生物毒性,植物和无脊椎动物的R2(决定系数)分别为0.778和0.867.(3)利用SSD得到11个物种在4种典型情景土壤中的HC5分别为55.12、28.28、28.08及14.55 mg/kg,推导出PNECtotal(predicted no effect concentration,预测无效应浓度)分别为28.96、15.54、15.44及8.68 mg/kg,计算模型为PNECtotal=-5.811p H+0.587[SOC]+55.480+Cb([SOC]为土壤有机碳含量,Cb土壤Sb背景浓度).鉴于此,建议以中性土壤中Sb的环境基准值作为我国农用地土壤Sb污染风险筛选值制订的参考依据,即农用地土壤w(Sb)限值定为15 mg/kg.

关键词： Sb 生态安全阈值物种敏感度分布毒性效应生态风险

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土壤外源Sb(Ⅲ)的老化对其形态和跳虫(Folsomia candida)毒性的影响

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生态毒理学报 2017年第5期12卷 153-160页

作者：林祥龙孙在金马瑾赵淑婷杨侨侯红中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100000 云南农业大学昆明650000 中国地质大学北京100000

老化是影响土壤重金属生物可利用性和毒性的重要因素。为了解老化对土壤Sb形态和毒性的影响,结合化学分析和生物测试,以模式生物跳虫(Folsomia candida)为受试生物,研究了北京潮土中外源Sb(Ⅲ)分别老化7 d、60 d后价态、水溶态和急性/... 详细信息

老化是影响土壤重金属生物可利用性和毒性的重要因素。为了解老化对土壤Sb形态和毒性的影响,结合化学分析和生物测试,以模式生物跳虫(Folsomia candida)为受试生物,研究了北京潮土中外源Sb(Ⅲ)分别老化7 d、60 d后价态、水溶态和急性/慢性毒性的变化。结果表明,老化仅7 d后,土壤较低浓度的Sb主要以Sb(Ⅴ)存在,而浓度较高(1 600、2 400、4 800 mg·kg-1)时Sb(Ⅴ)分别仅占47.4%、27.5%和2.2%,但老化长达60 d后,浓度最高(4 800 mg·kg-1)的土壤中Sb(Ⅴ)的比重上升到38.1%,其他浓度处理的土壤中,均以Sb(Ⅴ)为主。随着老化时间的延长,土壤中水溶态Sb含量占总Sb的比例显著降低。与土壤老化过程中毒性较大的Sb(Ⅲ)向毒性较小的Sb(Ⅴ)转化与水溶态Sb含量下降相一致,Sb对跳虫的毒性随老化时间的延长明显减弱:7 d老化后土壤Sb对跳虫急性存活的半数致死浓度(LC50)为2 105 mg·kg-1,对跳虫慢性存活的LC50为683 mg·kg-1,对跳虫繁殖的半数效应浓度(EC50)为307 mg·kg-1;老化60 d后土壤Sb对跳虫急性存活、慢性存活的LC50均大于设置的最高浓度,对跳虫繁殖的EC50为1 419 mg·kg-1。因此,对于Sb这种变价金属而言,当进行土壤Sb生态毒性评价时,为避免高估其生态风险,考虑老化作用显得尤为重要。

关键词：锑跳虫毒性效应老化作用形态

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锑对土壤跳虫(Folsomia candida)的毒性效应

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环境科学研究 2017年第7期30卷 1089-1097页

作者：林祥龙孙在金陈卫玉姚娜赵龙赵淑婷侯红中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 大同市环境监测站山西大同037002 江西省环境保护科学研究院江西南昌330039 云南农业大学云南昆明650000

为了解Sb(锑)对土壤无脊椎动物的毒性效应及对比不同类型土壤中Sb毒性的差异,选取死亡率、逃避率、繁殖数三组个体水平的评价指标研究了3种典型土壤(海伦黑土、祁阳红壤、北京潮土)中外源添加Sb对模式生物——跳虫(Folsomia candida)的... 详细信息

为了解Sb(锑)对土壤无脊椎动物的毒性效应及对比不同类型土壤中Sb毒性的差异,选取死亡率、逃避率、繁殖数三组个体水平的评价指标研究了3种典型土壤(海伦黑土、祁阳红壤、北京潮土)中外源添加Sb对模式生物——跳虫(Folsomia candida)的急性毒性和慢性毒性效应.结果表明,基于实测w(Sb_总)求得的上述3种土壤中Sb影响跳虫逃避的2 d-EC_(50)(EC_(50)为半数效应浓度)分别为298、>431[高于土壤中最高w(Sb_总)]和132 mg/kg;影响跳虫死亡的7 d-LC_(50)(LC_(50)为半数致死浓度)分别为3 352、4 007、2 105 mg/kg;影响跳虫死亡的28 d-LC_(50)分别为2 271、1 865、703 mg/kg,影响跳虫繁殖的28 d-EC_(50)分别为1 799、1 323、307 mg/kg.由上述毒性阈值大小可知,跳虫逃避率的敏感性高于死亡率和繁殖数的敏感性,不同土壤中Sb对跳虫的毒性大小具有显著差异,北京潮土中Sb对跳虫的毒性与海伦黑土、祁阳红壤相比最大差别接近6倍,表明不同土壤理化性质对Sb生态毒性效应具有显著影响.但基于w(Sb_(水提))求得的上述3种土壤中Sb的毒性阈值差异减小,说明水提态Sb与其毒性具有显著相关性,可以较好地解释不同土壤间Sb毒性的差异.该研究结果可为建立我国土壤中Sb的毒性预测模型及制订Sb的质量标准值提供依据.

关键词： Sb 水提态锑土壤类型白符跳急性毒性慢性毒性毒性差异

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我国典型土壤中铜对白符跳（Folsomia candida）的毒性阈值及其预测模型

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环境科学研究 2020年第3期33卷 744-750页

作者：李星林祥龙孙在金赵龙何飞韩颖侯红西南科技大学生命科学与工程学院四川绵阳621010 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 云南农业大学资源与环境学院云南昆明650201

为确定我国土壤中Cu对白符跳的毒性阈值并建立其预测模型,以外源添加的方式研究了我国9种典型土壤(江西红壤、安徽黄棕壤、重庆紫色土、云南黄红壤、湖南水稻土、山东潮土、黑龙江黑土、新疆灰漠土、陕西垆土)中Cu对模式生物——白符跳(... 详细信息

为确定我国土壤中Cu对白符跳的毒性阈值并建立其预测模型,以外源添加的方式研究了我国9种典型土壤(江西红壤、安徽黄棕壤、重庆紫色土、云南黄红壤、湖南水稻土、山东潮土、黑龙江黑土、新疆灰漠土、陕西垆土)中Cu对模式生物——白符跳(Folsomia candida)存活率与繁殖率的影响.结果表明:白符跳存活率对Cu毒害的敏感性远低于繁殖率.9种土壤中基于w(TCu)实测值推导的土壤Cu对白符跳繁殖率的EC50(半数效应浓度)变化范围为65~668 mg/kg,表明不同土壤中Cu的毒性阈值差异显著,但基于w(CuCa)(CuCa为CaCl2溶液提取的Cu)推导的不同土壤中EC50的差异有所减小.相关性分析表明,基于w(TCu)实测值推导的EC50值与土壤pH、w(CaCO3)均呈显著正相关,相关系数分别为0.801和0.670.进一步利用回归分析建立了基于pH和w(OM)的土壤Cu对白符跳繁殖的EC50预测模型——lg(EC50)=0.213+0.288pH+0.016 w(OM),基于该模型预测与推导的EC50值之间相关性较好.研究显示,氯化钙提取态Cu的存在能在一定程度上解释不同土壤中Cu对白符跳繁殖的EC50值的差异,pH和w(OM)可较好地预测不同土壤中Cu对白符跳繁殖的EC50值.

关键词：铜白符跳氯化钙提取态Cu 土壤理化性质毒性阈值预测模型

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我国耕地土壤重金属输入输出平衡变化分析

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农业环境科学学报 2023年第6期42卷 1274-1284页

作者：刘子青刘菁刘寒冰樊飞跃苏春利孙在金师华定梁家辉生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心北京100012 中国地质大学环境学院武汉430078

为研究我国耕地土壤重金属输入输出平衡现状,本研究根据2015—2020年公开发表的文献和统计数据,建立了我国耕地土壤重金属的输入输出清单,并与2006—2015年的清单进行对比分析。研究结果表明,与2006—2015年相比,2015—2020年大气沉降... 详细信息

为研究我国耕地土壤重金属输入输出平衡现状,本研究根据2015—2020年公开发表的文献和统计数据,建立了我国耕地土壤重金属的输入输出清单,并与2006—2015年的清单进行对比分析。研究结果表明,与2006—2015年相比,2015—2020年大气沉降对我国耕地土壤8种重金属(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni)的输入量降低了15.8%~65.4%,灌溉水对Hg的输入量增加了86.8%,化肥对Zn的输入量增加了5.9%,畜禽粪便对Cu、Zn、Ni的输入量分别增加了19.4%、64.7%、6.6%,市政污泥对As和Cr的输入量分别增加了22.8%和3.5%。我国耕地土壤Cd、Hg、As、Pb、Cr和Ni的净输入量分别下降了28.0%、54.1%、43.7%、47.8%、60.7%和48.4%,对大气污染物排放和废水排放的严格管控、对化肥生产工艺和污泥净化工艺的优化、农作物产量的增加是造成重金属净输入量降低的主要原因;Cu和Zn的净输入量分别略微增加了2.4%和7.2%,主要原因是《饲料卫生标准》和《肥料中有毒有害物质的限量要求》缺少对Cu、Zn含量的限制。总体来看,我国当前耕地土壤重金属的输入量大于输出量,重金属呈累积状态,但累积量呈下降趋势。

关键词：耕地土壤重金属输入输出清单法

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